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Potentiostat für eine Galvanikanlage

Stauder, Peter :
Potentiostat für eine Galvanikanlage.
Technische Universität Darmstadt
[Diplom- oder Magisterarbeit], (2000)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zusammenfassung:

Am Institut für Elektromechanische Konstruktionen soll zur Herstellung von mikromechanischen, metallischen Strukturen eine Galvanikanlage aufgebaut werden. Zum Betrieb dieser Anlage wird eine hochpräzise Spannungs-/Stromquelle, ein sogenannter Potentiostat, benötigt. Im Gegensatz zu einer Konstantspannungsquelle kann der in dieser Arbeit entwickelte Potentiostat sowohl den Strom durch die galvanische Zelle als auch das elektrochemische Potential der Kathode regeln. Außer manuellen Bedien- und Anzeigeelementen verfügt das Gerät über eine Schnittstelle zu einem externen Steuerrechner. Diese ermöglicht die Fernsteuerung der Betriebszustände und überträgt Meßwerte für Potential und Strom.

Die geplante Beschichtung von 6''-Substraten bedingt eine hohe Stromstärke von bis zu 15A bei einer maximalen Ausgangsspannung von 15V, dennoch sind die Anforderungen an die Meßgenauigkeit und die Regelungseigenschaften sehr hoch. Durch den Einsatz sehr hochohmiger Eingangsstufen und eng tolerierter Präzisionswiderstände können das Potential und der Strom mit einem Fehler unter 0,5% gemessen werden.

Der Eingangswiderstand der Potentialmessung muß aufgrund der Eigenschaften der Referenzelektrode sehr hochohmig sein und beträgt im vorliegenden Gerät 10^13 Ohm. Es wird ein spezieller Operationsverstärker AD 515A verwendet, der einen Eingangsstrom kleiner als 100fA aufweist.

Der Leistungsteil des Potentiostaten besteht aus einer Gegentaktendstufe, wie sie aus HiFi-Verstärkern bekannt ist. Problematisch ist jedoch die thermische Auslegung der Endstufe, da vom Potentiostaten Dauerkurzschlußfestigkeit gefordert wird. In diesem Betriebszustand fallen ca. 250W Verlustleistung an, die von einem Hochleistungslüfterkühlkörper abgeführt werden.

Alle Schaltungsteile sind unter Verwendung von Simulationswerkzeugen entwickelt worden.

Technische Daten:

* max. Ausgangsstrom bei -30V bis +30V: 7,5A max.

* Ausgangsstrom bei -15V bis +15V: 15A

* Transitfrequenz: fT = 100kHz

* Phasenrand bei Transitfrequenz: 87° max.

* Anstiegsgeschwindigkeit (Slew Rate): SR = 2 V/µs

* bleibende Regelabweichung: dU < 0,1mV

Typ des Eintrags: Diplom- oder Magisterarbeit
Erschienen: 2000
Autor(en): Stauder, Peter
Titel: Potentiostat für eine Galvanikanlage
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Zusammenfassung:

Am Institut für Elektromechanische Konstruktionen soll zur Herstellung von mikromechanischen, metallischen Strukturen eine Galvanikanlage aufgebaut werden. Zum Betrieb dieser Anlage wird eine hochpräzise Spannungs-/Stromquelle, ein sogenannter Potentiostat, benötigt. Im Gegensatz zu einer Konstantspannungsquelle kann der in dieser Arbeit entwickelte Potentiostat sowohl den Strom durch die galvanische Zelle als auch das elektrochemische Potential der Kathode regeln. Außer manuellen Bedien- und Anzeigeelementen verfügt das Gerät über eine Schnittstelle zu einem externen Steuerrechner. Diese ermöglicht die Fernsteuerung der Betriebszustände und überträgt Meßwerte für Potential und Strom.

Die geplante Beschichtung von 6''-Substraten bedingt eine hohe Stromstärke von bis zu 15A bei einer maximalen Ausgangsspannung von 15V, dennoch sind die Anforderungen an die Meßgenauigkeit und die Regelungseigenschaften sehr hoch. Durch den Einsatz sehr hochohmiger Eingangsstufen und eng tolerierter Präzisionswiderstände können das Potential und der Strom mit einem Fehler unter 0,5% gemessen werden.

Der Eingangswiderstand der Potentialmessung muß aufgrund der Eigenschaften der Referenzelektrode sehr hochohmig sein und beträgt im vorliegenden Gerät 10^13 Ohm. Es wird ein spezieller Operationsverstärker AD 515A verwendet, der einen Eingangsstrom kleiner als 100fA aufweist.

Der Leistungsteil des Potentiostaten besteht aus einer Gegentaktendstufe, wie sie aus HiFi-Verstärkern bekannt ist. Problematisch ist jedoch die thermische Auslegung der Endstufe, da vom Potentiostaten Dauerkurzschlußfestigkeit gefordert wird. In diesem Betriebszustand fallen ca. 250W Verlustleistung an, die von einem Hochleistungslüfterkühlkörper abgeführt werden.

Alle Schaltungsteile sind unter Verwendung von Simulationswerkzeugen entwickelt worden.

Technische Daten:

* max. Ausgangsstrom bei -30V bis +30V: 7,5A max.

* Ausgangsstrom bei -15V bis +15V: 15A

* Transitfrequenz: fT = 100kHz

* Phasenrand bei Transitfrequenz: 87° max.

* Anstiegsgeschwindigkeit (Slew Rate): SR = 2 V/µs

* bleibende Regelabweichung: dU < 0,1mV

Freie Schlagworte: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Elektrochemisches Potential, Galvanikanlage Aufbau, Gegentaktendstufe, Kühlkörper, Potentiostat
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme
Hinterlegungsdatum: 08 Sep 2011 16:52
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKD 1465

Art der Arbeit: Diplomarbeit

Beginn Datum: 22-11-1999

Ende Datum: 02-03-2000

Querverweis: keiner

Studiengang: Elektrotechnik (ET)

Vertiefungsrichtung: Elektromechanische Konstruktionen (EMK)

Abschluss: Diplom (EMK)

ID-Nummer: 17/24 EMKD 1465
Gutachter / Prüfer: Jungmann, Dipl.-Ing. Markus ; Schlaak, Prof. Dr.- Helmut Friedrich
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